土工格室的作用机理与工程应用现状

刘金萍，黄安荣，石文建

(贵州蓝图新材料股份有限公司)



土工格室的作用机理与工程应用现状

刘金萍，黄安荣，石文建

(贵州蓝图新材料股份有限公司)

摘要：详细介绍了土工格室的由来、分类、材料特性，以及土工格室作为加筋材料的作用机理以及现阶段工程应用现状。

关键词：土工格室；加筋材料；应用

1概述

土工格室最早出现于20世纪80年代，作为一种新型的土工合成材料，以其优异的性能迅速占据岩土工程应用市场。土工格室是由聚合物宽条带经由强力焊接或铆接键连接成的立体网状物，在使用时张开并充填石或混凝土料，能够构成强大的侧向限制和大刚度的结构体。一方面根据土工格室的规格、高度、强度的不同，可以用于坡面防护、冲刷防护及基础垫层。另一方面，从环保角度看，在土工格室结构体上覆盖绿色植物，不仅可以达到绿化效果，同时可实现水土保持，使得土工格室成为当今社会不可多得的环保材料。

土工格室优良的工程使用性能主要体现在以下几个方面：(1)土工格室具有较稳定的化学性能，耐酸、耐碱，适用于不同的地质环境。(2)土工格室可以分散几种载荷，提高松软地基承载力。(3)填充材料可就地取材，可缩叠便于运输，大大降低工程成本。(4)在施工过程中土工格室的选择较为灵活，可满足不同的实际需要和环境美观要求。

2土工格室分类

土工格室根据不同的施工要求，不同的现场使用条件，有不同的类型。国内的土工格室发展主要经历了自发应用、技术引进、与国际接轨建立组织、步入标准化等四个时期。目前土工格室在我国的应用范围并不大，没有形成规模，但是随着国家对基础工程建设的重视，环保安全的施工理念的贯彻，土工格室具有十分广阔的应用前景和较大经济价值。

在工程现场应用的土工格室根据形态主要分为三类，如图1所示。分别为(a)由土工格柵制备的格室，(b)穿孔片状土工格室，(C)无穿孔柔性土工格室。(a)由土工格柵手工装配构成的穿孔土工格室。将土工格柵按照一定的长度和宽度裁剪，将其中部分卷曲，在工程现场利用金属或塑料作为连接部件装配合成。根据排布和连接方式不同，格室的形状也不同，一般成V形或菱形。并且可根据使用的目的及要求，用不同强度和不同材料的土工格柵构成不同规格的土工格室，在施工过程中灵活性较大。这种方法制备土工格室在工程中应用较少。(b)蜂窝状穿孔的片状土工格室。有孔型土工格室可以提高土工材料与填充物的摩擦性能，同时孔的存在有利于侧向排水。(c)由柔性薄片组成的无穿孔土工格室。每个格室都独立的，有效防止了填充物侧向移动。焊接点和薄片的高拉伸强度构成了一个可以承载高强度的结构，在其中添加泥土或其他材料时，可以作为铁路、斜坡或车道的基层或基础垫层。

3作用机理

土工格室的强度和模量较大，作为抗拉筋材加入到土体中构成一种柔性结构层。通过这一柔性垫层，可以达到充分分散上部集中载荷，减小地基压应力，限制水平和纵向的位移，提供较大的地基承载力。这种加固技术，主要是通过土工格室与加固体之间的相互作用达到加固作用。主要表现在三个方面如图1所示。

图1　土工格室作用机理

3.1　土工格室的传递载荷作用

在受力变形过程中，由于土工格室与土体的变形模量不同，两者之间错动的发生导致接触面上产生相互摩擦作用。摩擦力使得纵向部分载荷经由土工格室向外传递，从而达到减小地基压力，提高地基承载力的目的。

3.2　土工格室对土体的侧向约束作用

土工格室与土体摩擦力的存在，使得土工格室对格室外土体产生摩阻效应，在一定的变形条件下，变形越大，摩阻效应越强。从而对土体产生侧向约束作用。另一方面，在土体被夯实或上部受到载荷时，格室壁承受由土体侧向位移所产生的张力，对单元格室内的土体产生一个紧箍作用，提供侧向约束作用。

3.3　土工格室的网兜效应

在土工格室中填入密实的填料后，土工格室与填料构成一个高模量的复合体。在受到外力作用下，会形成一个凹曲面，形成网兜效应，通过土工格室的拉伸变形来承载外力。其次，立体格室还起到一个力和位移的隔离作用。这种隔离作用在一定程度上提高了土体的整体性和连续均匀性，能很好地使应力得到扩散、均化、该百年地基应力场和应变场作用，达到加固作用。

总的来看，土工格室的加固作用主要在这三个方面，哪种作用起主导作用随着工程环境的不同有所不同。在一般地基条件下，主要是利用土工格室的侧向约束力提高土体的强度和刚度、减小变形。而在软弱地基上，土工格室的网兜和隔离效应则发挥更大的作用。

4土工格室的工程应用

4.1　软土地基加固

我国地域辽阔，整体地质情况复杂，软土地基在我国站很大一部分区域。软土是指滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。软土地基的性质因地而异，因层而异，不可预见性大。由于软土强度较低，压缩性较大，容易产生地基破坏和过大的沉降或是不均匀沉降。在设计、施工过程中，稍有疏忽就会出现质量事故。提高地基的承载力是土工格室最早的应用领域。将土工格室铺于软土地基之上，在每个单元格室中填入颗粒排水材料(如碎石或砂砾)，以形成稳定的垫层结构。格室与填充物之间的摩擦力及限制力不仅提高了土体的围压，使之获得“准粘聚力”。还可以有效限制填料的横向移动，分散上部荷载产生的应力，使不部分垂直力被转化成向四周分散的侧向力。由于单元格室的独立性，相邻格室的侧向力大小相同，方向相反而相互抵消，在一定程度上降低了地基的实际负荷。当格室侧壁有斜纹、穿孔时，还可进一步提高承载力。加速软土排水固结，减少路基不均匀沉降。侧壁的穿孔兼有排水、允许根系横向发展的作用，同时减小材料的消耗。

我国利用土工格室加固地基早期主要在整治铁路基床下沉外挤病害。经过大量的室内和现场试验分析，铺设土工格室与基床换填方法相比，动应力沿深度衰减很大，有效约束了软弱基床的侧向位移和扩散应力，显著改善了基床的动应力分布。加固效果良好符合规范要求，且大大减少了工作量。

4.2　路基边坡防护 冲刷防护

护坡是土工格室另一重要的应用领域，利用土工格室固有的强度和韧性，土工格室将粘聚力小的填充料组成连续的单元体，使填充料的滚动摩擦转换成个连续单元体之间的整体滑动摩擦，增加分散性填充料的稳定性。并且可以在根石处设置枕梁，使护坡与根石基础形成一个连续、统一的整体。不仅可以增加护坡的整体稳定性，而且可以控制坡比，缩短坡长。将土工格室与薄型钢纤维混凝土结合使用，不仅降低了工程造价，而且也使护坡形式向轻、巧、薄的方向发展。另一方面其独特的立体结构还具有一定的分割阻断作用。特别是透水型的土工格室，可以促进雨水的下渗，使雨水难以汇集形成地表径流，一定程度上避免了因水或水流冲刷而产生潜沟、切沟等沟蚀产生。控制 了坡面的坍塌，水流可以从格室侧壁特设的孔眼排出避免形成暗流。另一方面，在土工格室上可以种植各种植物，不仅起到美化环境的作用，灌木植被发达的根系可以起到保护斜坡稳定的作用，共建一个生态平衡系统，相互依存，共同作用，互为补充。这种方法同砌石防护相比，可节省造价约50%。

4.3　用于高速公路扩建

由土工格室的加固机理分析可知，土工格室可以很好地避免土方因载重过大而发生变形，大大提高路基的承载力。随着国民经济的快速发展，特别是在沿海经济发达地区已建成的高速公路中，很大一部分已经不能适应交通量的增长和社会发展的需要，急需拓宽扩建。但是限制这一方面工程发展的主要因素有三点：(1)沿海经济发达、城镇化程度高、征地十分困难。(2)原路堤与拓宽路堤之间存在沉降差异及地基承载力差异。(3)新旧结合面连接强度不高。而土工格室断面型式具有断面小、结构安全、经济合理等优点，其抗拉强度≥200 MPa，断裂延伸率<15%。土工格室对填料的侧向约束及向上的摩擦支撑力，可以与填料形成一个具有较大弯拉刚度与抗剪切强度的复合体。此复合体能够部分隔离应力和位移的传递，从而柔性过渡和协调不同路段的沉降差异。土工格室对局部荷载的网兜效应及加筋作用对土中纵向应力和剪应力的降低，也对新旧结合面起到一个承接作用，消除了新旧路面的地质差异。基于土工格室的这些优点，高强土工格室能较好地解决高速公路拓宽工程中可能出现的问题。但国内应用还处于试验研究阶段。

4.4　用于台背填筑工程

随着我国高速公路的建设与快速发展，已建公路在使用过程中逐渐暴露出一些问题。其中较为普遍的问题即桥梁后台的搭板断裂及不均匀沉降，这些问题不仅会导致桥头跳车现象，而且会加速桥台台背、桥头伸缩缝以及接缝路面的破坏。引起这些问题的主要原因有三点：(1)地基土质不良，由于路基起伏较大，地下水位一般较高，在其上填筑路基产生的基底应力相对较大易引起地基沉陷。(2)台背填料因因存在孔隙，含有水分，在长期荷载作用下逐渐压缩，产生压缩沉降。(3)设计施工导致的路基沉降。为解决这一问题，利用土工格室加固层独有的立体结构以及本身较好刚度、整体性形成的柔性结构层作为承重层。土工格室作为加筋材料，在外力和自重的作用下发生膨胀变形时，筋材对土体的约束应力有效阻止了土体的伸延变形。在施工过程中，将土工格室铺设在路桥过渡段，在桥台和路堤的过渡段设置楔型加固区，一端固定在桥台，另一端铺设在路基上。这种铺设结构也能大幅度减小路堤自重的压缩变形，而且通过从桥台到路基的模量不断改变，可以实现刚性桥台与柔性路基模量的平稳过渡，从而有效消除地基在施工后沉降变形的影响，消除过大的沉降差异，以达到平缓的沉降过渡，防止“桥头跳车”土工格室处理填挖交界处路基的不均匀沉降问题，其原理与处理桥头跳车异曲同工。

4.5　其他

土工格室的应用还包括路基支挡工程、沙漠地区筑路等。我国早在98年就对土工格室用于支挡工程做了初步的尝试。传统金属层面挡土墙结构，由于焊接钢筋或石笼的面层有表面不平，填土材料暴露、挡土易于受到环境的侵蚀，钢筋锈蚀导致材料易受到破坏，使用寿命急剧缩短。采用土工格室建造挡土墙，将它作为一种加筋材料呈层状水平埋置于土中，利用混凝土、木材或其他材料组成的预制件有效进行遮蔽和保护，大大减少环境侵蚀造成的影响。土工格室的铺设从上到下具有一定的角度。这种结构不仅稳定性好，而且还可以防止陡坡表面被雨水冲蚀。与传统的混凝土挡土墙和重力式挡土墙相比，通过土工格室加筋的挡土墙具有众多的优点：施工简洁快速，不需要大型施工设备及专业施工人员；占地面积少，一般不需要非常坚固的刚性基础支撑；土工格室本身具备的柔软性，能够很好适应不良地质条件而引起的变形，其抗震能力也较刚性挡土墙好。综合这些优点，土工格室挡土墙与混凝土相比，造价降低50%以上。与圬土墙体相比，造价降低了15%~30%。其表面还可以种植花草，起到美化环境的作用。另一方面，因探矿、采油等工作的需要，经常需要在沙漠地区筑路。由于沙漠特殊的地质、地理环境，导致筑路材料匮乏，筑路困难成本很高。利用土工格室强大侧限能力，对加固风积砂独特的优势，可以很好解决这一难题。在施工过程中将土工格室直接固定在砂基上，然后就地取材填入砂石，操作简单效率极高。施工后的路面可满足各种重型卡车长期使用。

5结语

土工格室作为一种新型的土工合成材料，作为一种新的土体稳定和加固材料，在我国的发展时间相对来说比较短，但其应用领域非常广泛。国内外科研和工程技术人员对于土工格室的研究主要是针对具体工程应用进行的一系列试验研究和理论研究，并且非常有限，未能形成一个完整的体系。因此，对土工格室及其加固技术的研究，一方面可以解决土工格室在工程应用中的一系列问题，加快土工格室本身体系的完善，制备出高强度，高性能不同规格的土工格室产品，使这项新技术得到发展；另一方面增强对土工格室应用的了解，加大其推行力度，可大大提高工程质量及施工效率，能产生巨大的社会经济效益。目前为加快土工格室材料理论研究的完善及新技术的发展，国内外针对工程应用进行了大量的试验研究和理论研究，充实和完善土工格室的理论体系，为制定相应的技术标准提供科学依据。

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收稿日期：2014-11-05

中图分类号：U416.1

文献标识码：C

文章编号：1008-3383(2015)08-0017-02